【導(dǎo)讀】本課程將帶領(lǐng)你到一個(gè)神奇的領(lǐng)域中去游覽。這個(gè)領(lǐng)域與你的關(guān)系是如此之密切，以致于你每時(shí)每刻都。你目之所及、身之所用

　　

【正文】 軌道，原子具有一定的能量，我們稱原子處于一定的能級(jí)或一定的態(tài)。 通常原子都運(yùn)行在能量最低的能級(jí)狀態(tài)下，這個(gè)狀態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)，我們稱之為基態(tài)。 當(dāng)受到某種外來(lái)的能量激發(fā)后，原子有可能跳躍到能量較高的能級(jí)狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)我們稱之為激發(fā)態(tài)。圖 2—1 簡(jiǎn)單說(shuō)明了原子受激躍 遷的過(guò)程。左邊是處于基態(tài)的原子，吸收了能量 E后就躍遷到右邊這種高能級(jí)的激發(fā)態(tài)。 處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，它在外來(lái)輻射的作用下會(huì)發(fā)射一個(gè)光子，并由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)。這個(gè)過(guò)程就叫受激輻射。 原子受激產(chǎn)生能級(jí)躍遷示意圖 受激輻射出的光子又會(huì)激發(fā)另外的原子產(chǎn)生受激輻射，如此循環(huán)下去，光便得到了放大。 這種放大具有一定的方向性，即在只有某個(gè)特定的方向上的輻射會(huì)得到放大，所以激光具有許多普通光源所沒(méi)有的特點(diǎn)。 ２ .激光的特性 激光的特性是亮度高、方向性和單色性好。 （１）亮度高 : 激光的總能量不大 ,但能高度集中起 來(lái)。脈沖激光器產(chǎn)生的激光亮度比太陽(yáng)表面亮度高1010 倍。聚焦點(diǎn)溫度達(dá)攝氏 1 萬(wàn)度。 （２）方向性好：光源的方向性是指光束發(fā)散角的大小。激光的光束基本上是沿著與反射鏡垂直的方向傳播的，這一特性也決定了激光具有良好的空間相干性，相干面積大。 （３）單色性好：?jiǎn)紊允侵讣す庾V線寬度的范圍。激光是受激發(fā)射的光，加上諧振腔的選頻作用，所以譜線寬度很窄，它的干涉長(zhǎng)度可達(dá)幾萬(wàn)米，因此也常說(shuō)它具有良好的時(shí)間相干性。 ３ .激光加工技術(shù)的應(yīng)用 激光加工 ——指將激光束照射到待加工材料的表面，利用激光束的能量熔合材料或去除材料以及改 變材料的表面性能從而達(dá)到加工目的。 （１）激光加工特點(diǎn) 激光加工屬于無(wú)接觸加工，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①光點(diǎn)小，能量集中，熱影響區(qū)?。? ②不接觸加工工件，對(duì)工件無(wú)污染； ③不受電磁干擾，與電子束加工相比應(yīng)用更方便； ④激光束易于聚焦、導(dǎo)向，便于自動(dòng)化控制。 （２）激光加工分類(lèi) 23 根據(jù)激光束與材料相互作用的機(jī)理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類(lèi)。 激光熱加工 ——是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來(lái)完成加工過(guò)程； 光化學(xué)反應(yīng)加工 ——指激光束照射到物體，借助高密度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué) 反應(yīng)的加工 過(guò)程。 激光熱加工包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)等； 光化學(xué)反應(yīng)包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。 （３）激光打孔技術(shù) ①激光打孔的原理 （ P165） 激光束打孔機(jī)一般由固體激光器、電氣系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和三坐標(biāo)移動(dòng)工作臺(tái)等四大部分組成，如下圖所示。 １）固體激光器工作原理 下圖是固體激光器工作原理圖 當(dāng)激光工作物質(zhì)釔鋁石榴石受到光泵 (激勵(lì)脈沖氙燈 )的激發(fā)后，吸收具有特定波長(zhǎng)的光，在一定條件下可導(dǎo)致工作物質(zhì)中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于低能級(jí)粒子數(shù)，這種現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 一旦有少量激 發(fā)粒子產(chǎn)生受激輻射躍遷，就會(huì)造成光放大，再通過(guò)諧振腔內(nèi)的全反射鏡和部分反射鏡的反饋?zhàn)饔卯a(chǎn)生振蕩，最后由諧振腔的一端輸出激光。激光通過(guò)透鏡聚焦形成高能光束照射在工件表面上，即可進(jìn)行加工。 ２）電氣系統(tǒng)包括對(duì)激光器供給能量的電源和控制激光輸出方式 (脈沖式或連續(xù)式等 )的控制系統(tǒng)。在后者中有時(shí)還包括根據(jù)加工要求驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的自動(dòng)控制裝置。 ３）光學(xué)系統(tǒng)的功能是將激光束精確地聚焦到工件的加工部位上。為此，它至少含有激光聚焦裝置和觀察瞄準(zhǔn)裝置兩個(gè)部分。 ４）投影系統(tǒng)用來(lái)顯示工件背面情況，在比較完善的激光束打孔機(jī)中配備。 ５）工作臺(tái) 由人工控制或采用數(shù)控裝置控制，在三坐標(biāo)方向移動(dòng)，方便又準(zhǔn)確地調(diào)整工件位置。 工作臺(tái)上加工區(qū)的臺(tái)面用玻璃制成，因?yàn)椴煌腹獾慕饘倥_(tái)面會(huì)給檢測(cè)帶來(lái)不便，而且臺(tái)面會(huì)在工件被打穿后遭受破壞。 工作臺(tái)上方的聚焦物鏡下設(shè)有吸、吹氣裝置，以保持工作表面和聚焦物鏡的清潔。 ②激光束打孔的工藝規(guī)律 1) 工件材料和表面狀態(tài)的影響 工件對(duì)一定波長(zhǎng)激光的吸收效率與工件材料的吸收光譜有關(guān)，也受工件表面的粗糙度和明暗度的影響。 應(yīng)根據(jù)工件材料合理選用激光器。如：在寶石軸承上打孔時(shí)，一般使用能輸出波長(zhǎng)為 0． 69μ m 或 1． 06μ m 的激光束激光器。 對(duì)于高反射率和高透射率的工件要在打孔前做打毛或黑化處理。 2)加工表面與物鏡焦點(diǎn)間距離的影響 24 焦點(diǎn)位置對(duì)于孔的形狀和深度有很大影響，如下圖所示。當(dāng)焦點(diǎn)位置很低時(shí)，透過(guò)工件表面的光斑面積很大，不僅會(huì)產(chǎn)生很大的喇叭口，而且由于能量密度減小而影響加工深度。 下圖 a 至圖 c 焦點(diǎn)逐步提高，孔深也增加。 如焦點(diǎn)位置太高會(huì)使光斑面積隨著深入工件表面而愈來(lái)愈大，以致無(wú)法將孔打透。如圖 d 和 e 所示。 一般應(yīng)使焦點(diǎn)恰恰在或者微低于工件表面為宜。 3)聚焦物鏡焦距和激光束發(fā)散角的影響 發(fā)散角小的激光束經(jīng)短焦距的 物鏡聚焦以后，可以形成很小的光斑和很高的能量密度，激光束對(duì)工件的穿透力大，從而打出細(xì)而深的、錐度小的孔。 所以要盡量減小激光束的發(fā)散角，盡可能采用短焦距物鏡 (20 mm 左右 )。只有在一些特殊情況下，才選用較長(zhǎng)的焦距。 ４）輸出功率與照射時(shí)間的影響 激光輸出功率大，照射時(shí)間長(zhǎng)，工件所獲得的激光能量就大。實(shí)踐表明，當(dāng)焦點(diǎn)固定在工件表面時(shí)，輸出的激光能量越大，所打的孔就越大越深，且錐度較小。 激光的照射時(shí)間一般為幾分之一到幾毫秒。當(dāng)激光能量一定時(shí)，時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)使熱量傳散到非加工區(qū)，時(shí)間太短則因功率密度過(guò)高而 使蝕除物以高溫氣體形式噴出，從而使能量的使用效率降低。 5）照射次數(shù)的影響 用激光照射一次，加工的深度大約是孔徑的五倍左右，且錐度較大。 如果用激光多次照射，而不改變焦點(diǎn)位置情況下的多次照射，則可由于光管效應(yīng)而既不擴(kuò)大孔徑又大大增加孔深，并且減小錐度。 光管效應(yīng)： 孔的深度不與照射次數(shù)成比例，加工到一定深度后，由于孔內(nèi)壁的反射、透射，激光的散射或吸收，以及拋出力減小、排屑困難等原因，使孔前端的能量密度不斷減小，加工量也逐漸減小，以致不能繼續(xù)打下去。 右圖是用紅寶石激光器加工藍(lán)寶石時(shí)獲得的實(shí)驗(yàn)曲線。從圖中可知 ，照射 20～ 30 次以后，孔的深度到達(dá)飽和值。 （４）激光束切割 二氧化碳激光束切割機(jī)和固體激光束打孔機(jī)的工作原理相似，它既可以切割金屬材料，也可以切割非金屬材料。還可以透過(guò)玻璃切割真空管內(nèi)的燈絲，這是任何其它加工方法難以實(shí)現(xiàn)的。 固體激光器 (YAG)輸出的脈沖式激光用于半導(dǎo)體硅片的切割加工等。 大功率的 C02 氣體激光器輸出的連續(xù)激光廣泛用于切割鋼板、鈦板、石英和陶瓷，及用于切割塑料、木材、紙張和布匹等。 下圖所示為 C02 氣體激光器切割鈦合金板材示意圖。 為了提高切割速度和切口質(zhì)量，在二氧化碳激光束切割機(jī)的 光束出口處一般都裝有噴嘴，以便在切割過(guò)程中同時(shí)噴吹氣體。由于金屬表面對(duì)于波長(zhǎng)為 10． 6μ m 的光的反射率高，在切割金屬工件時(shí)往往噴吹氧氣或 25 壓縮空氣以提高切割效率。 在切割易燃材料時(shí)可噴吹氮?dú)獾榷栊詺怏w以防止燃燒。 在切割石英時(shí)可噴吹氧以防止粘結(jié)。 激光切割的切口細(xì)窄（切縫寬度一般小于 0． 5mm，也有達(dá)到 lmm 的） 、尺寸精確、表面光潔，質(zhì)量?jī)?yōu)于任何其他熱切割方法。 幾乎所有的金屬材料都可以用激光切割，切割厚度從幾微米的箔片至 50 毫米的板材。 激光切割設(shè)備投資很高，主要用于 12 毫米以下各種厚度的不銹鋼、鈦和鈦合 金、難熔金屬和貴重金屬的精密切割。 激光切割也可用于塑料、木材、布匹、石墨和陶瓷等非金屬材料的切割， 如木材加工業(yè)已用激光切割膠合板、刨花板，服裝行業(yè)用以大量裁剪衣料。 激光切割還適合于某些特殊用途，如外科醫(yī)生用激光作為手術(shù)刀等。（請(qǐng)舉例） 補(bǔ)充內(nèi)容 : 數(shù)控電火花線切割加工技術(shù) 電火花線切割加工 (Wire Cut Electrical Discharge Machining，簡(jiǎn)稱 WCEDM)是在電火花加工基礎(chǔ)上 ,于 50年代末在原蘇聯(lián)發(fā)展起來(lái)的一種新工藝，是用線狀電極 (鉬絲或銅絲 )靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，故 稱電火花線切割。 它已獲得廣泛的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外的線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床的 60％以上。 數(shù)控電火花線線切割的基本原理 電火花線切割加工的基本原理如圖 3． 1 所示。 線切割的主要特點(diǎn) 1) 不需制造成形電極，用簡(jiǎn)單的電極絲對(duì)工件進(jìn)行加工。主要切割各種高硬度、高強(qiáng)度、高韌性和高脆性的導(dǎo)電材料，如淬火鋼、硬質(zhì)合金等。 2) 電極絲比較細(xì)，可以加工微細(xì)異型孔、窄縫和復(fù)雜形狀的工件。 3) 能加工各種沖模、凸輪、樣板等外形復(fù)雜的精密零件，尺寸精度可達(dá) 0． 02～ 0． 01 mm，表面粗糙度Ra 值可達(dá) 1． 6μ m。還可 切割帶斜度的模具或工件。 4)由于切縫很窄，切割時(shí)只對(duì)工件材料進(jìn)行 ―套料 ‖加工，故余料還可以利用。 5)自動(dòng)化程度高，操作方便，勞動(dòng)強(qiáng)度低。 6)加工周期短，成本低。 線切割的應(yīng)用范圍 1)應(yīng)用最廣泛的是加工各類(lèi)模具，包括切割上沖頭 (凸模 )和下沖模 (凹模 )，如圖 3． 圖 3． 3 所示。 2)加工二維 直紋曲面的零件 (需配有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) )，如圖 3． 4 所示。 3)加工三維直紋曲面的零件 (需配有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) )，如圖 3． 圖 3． 如圖 3． 圖 3. 8 26 4)各種導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料以及稀有、貴重金屬的切斷。 5)加工微細(xì)槽、任意曲線窄縫。 用線切割割出來(lái)的花紋圖案 五、光刻蝕技術(shù) (P166) 兩個(gè)重要概念 什么叫集成電路 ? 用半導(dǎo)體晶體材料，經(jīng)平面工藝加工制造，將電路的元件、器件和互連線集成在基片內(nèi)部、表面或基片之上的微小型化電路或系統(tǒng)。英文簡(jiǎn)稱 IC。 1958 年美國(guó)開(kāi)始研制混合集成電路，即將微型電阻、電容、 晶體二極管 和 晶體三極管 等裝配到一個(gè)絕緣基片上，用基片上的金屬化線互連實(shí)現(xiàn)某種功能 的電路組件。 什么叫光刻技術(shù) ? 集成電路制造中利用光學(xué) 化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。 利用照相復(fù)制與化學(xué)腐蝕相結(jié)合的技術(shù)，在工件表面制取精密、微細(xì)和復(fù)雜薄層圖形的化學(xué)加工方法。 利用光致抗蝕劑 (或稱光刻膠 )感光后因光化學(xué)反應(yīng)而形成耐蝕性的特點(diǎn)，將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。 光刻蝕 ————就使用電磁波頻譜中的光束或電子、 X 射線和離子等射線，將光致抗蝕劑 (光刻膠 )形成規(guī)定圖形的微細(xì)加工方法。 （ 1）集成電路光 刻工藝過(guò)程： a）硅片制備和氧化 b）涂敷感光膠 c) 嚗光 d) 顯影 e) 腐蝕氧化膜 f) 除去感光膠 見(jiàn)下圖 光刻工藝過(guò)程兩大工序 :掩膜制造和光刻蝕加工 (1)掩膜制造 ①繪制比原件實(shí)際尺寸大 100—500 倍的放大圖。 ②用精縮照像機(jī)把該圖縮小到元件尺寸的十倍左右， ③再利用分步重復(fù)照像機(jī)進(jìn)一步縮到和元件尺寸相同的掩膜 (稱之為母掩膜 )， ④母掩膜經(jīng)翻拍復(fù)印成工作 (光刻 )掩膜，制作電路時(shí)只用工作掩膜。 (2)光刻蝕加工 光刻工藝過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟： 1)涂膠 27 把光致 抗蝕劑 (光刻膠 )涂敷在氧化膜 (Si02)上的過(guò)程。 正性膠經(jīng)曝光后，被光照射過(guò)的部分難于被顯影液溶解，故顯影圖形中未被光照射過(guò)的部分形成窗口。負(fù)性膠則相反 2)曝光 由光源發(fā)出的光束 (或光化射線，如電子束、 X 射線等 )經(jīng)掩膜在光刻膠上成像，使聚焦成細(xì)小的束斑直接照射在光刻膠上的過(guò)程。 曝光光源 發(fā)展了 電子束、離子束、 X 射線。分辨率可達(dá) ～ m。 3)顯影與烘片 顯影 利用曝光區(qū)與未曝光區(qū)光刻膠溶解度不同，在特定溶劑中把曝光圖呈現(xiàn)出來(lái)的處理過(guò)程。 烘干 為提高抗蝕劑的強(qiáng)度 ,對(duì)顯影后的片子的清洗過(guò)程。 4)腐 (刻 )蝕 獲得氧化膜 (Si02 膜等，又稱保護(hù)膜 )圖形的最終工序是圖形刻蝕。 它是利用化學(xué)或物理的刻蝕方法，將沒(méi)有抗蝕劑 (感光膠 )保護(hù)部分的氧化膜 (SiO2)去除的一種微細(xì)加工方法。 刻蝕方法分為 濕刻 (或稱腐蝕 )法 (化學(xué) ) 把硅片浸泡在一定的化學(xué)試劑或試劑溶液中，使沒(méi)有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜表面與試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被除去 ,是傳統(tǒng)的刻蝕方法。 干刻蝕法 (物理 ) 如等離子刻蝕：利用氣壓為 10～ 1000 帕的特定氣體（或混合氣體）的輝光放電，產(chǎn) 生能與薄膜發(fā)生離子化學(xué)反應(yīng)的分子或分子基團(tuán)，生成的反應(yīng)產(chǎn)物是揮發(fā)性的。它在低氣壓的真空室中被抽走，從而實(shí)現(xiàn)刻蝕。 圖形的最小特征尺寸比極限分辨率大得多時(shí)，用濕刻； 圖形的最小特征尺寸接近極限分辨率時(shí)，采用干刻蝕。 5)剝膜與檢查 剝膜 清除殘留腐蝕液后用剝膜液去除光刻膠的處理。 檢查 剝膜后要對(duì)刻蝕圖形進(jìn)行的外觀、線條尺寸和斷面形狀及物理和電子特性的檢查。 六、電子束加工與光刻技術(shù) (P168) 電子束的熱效應(yīng) 電子槍 (見(jiàn)下圖 )產(chǎn)生的電子在真空室內(nèi)經(jīng)電磁透鏡 聚焦成小的束斑 (一般束流橫截面直徑為φ 一 lOμm)，同時(shí)在高電壓正電極作用下形成高能量密度的高速電子束流。 當(dāng)它沖擊到工件材料上時(shí)，在幾分之一微秒的瞬間，入射電子與工件原子相互碰撞，使原子振動(dòng)加快而